Mobilkommunikation UNIVERSITÄT LEIPZIG. Scriptum zur Lehrveranstaltung. Systeme und Anwendungen der Mobilkommunikation

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1 UNIVERSITÄT LEIPZIG Scriptum zur Lehrveranstaltung Mobilkommunikation Systeme und Anwendungen der Mobilkommunikation Studiengang Praktische Informatik (Bachelor) Berufsakademie Gera Umfang: 2 SWS 15 Wochen Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Irmscher Universität Leipzig Institut für Informatik Lehrstuhl Rechnernetze und Verteilte Systeme (em.) Dresden, den 22. August 2014

2 Inhaltsverzeichnis 1 Kommunikationstechnologien (Dienste, Entwicklung) Telematik und Teledienste Kommunikationstechnik (Entwicklungen) Informationsgesellschaft Mobile Computing (Ubiquitous Computing) Informationsversorgung, Mobilität und Innovationen Ubiquitous Computing Technologien im Ubiquitous Computing Visionen des Ubiquitous Computing Anwendungen und aktuelle Entwicklungen Portable Endgeräte Anforderungen und Charakteristika Tragbare Computer Moderne Bedienoberflächen Neue Handheld-Generationen Technische Realisierungen (Auswahl) Neue mobile Dienste (Auswahl) Drahtlose Kommunikationssysteme Merkmale der drahtlosen Kommunikation Technische Aspekte der drahtlosen Kommunikation Wireless LAN (WLAN) Drahtlose Nahverbindungen (Auswahl) Gegenwärtige und zukünftige Mobilfunknetze Mobile Verteilte Systeme (Nomadic Computing) Mobilität und Ressourcen Integration von Mobilität und Ressourcen Ressourcenverwaltung Mobilität im Internet Internet-Protokolle für den mobilen Einsatz Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) Mobile Internet Protocol (mobile IP) Cellular IP Dienstevermittlung in mobilen Umgebungen Diensteverwaltung in drahtlosen Netzen Dienstsuche in WPAN (IAS, SDP) Dienstsuche in größeren drahtlosen Netzen (SLP, Jini) Weitere Systeme zur Dienstvermittlung Mobile Ad-hoc-Netze (MANET) Mobilfunknetze 2G (GSM, GPRS, EDGE u.a.) GSM - Global System for Mobile Communications Überblick: Empfehlungen, Aufbau und Komponenten Daten- und Anwendungsdienste im GSM Architektur des GSM-Systems Funkschnittstelle am Bezugspunkt U m Standardisierte Dienste in GSM Mobilfunknetzen Neuere Sprachdienste (ASCI) und Datendienste (HSCSD) General Packet Radio Service (GPRS) Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) Mobilfunknetze 3G (UMTS, IMT-2000) Ursprung UMTS und Einordnung in IMT

3 5.1.1 Standards IMT-2000 und UMTS UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Grundlagen UMTS (3GPP) Basiskonzepte UMTS Architektur und Schichtenstruktur UMTS UMTS-Kernnetz UMTS-Zugangsnetz (UTRAN) UMTS-Endgeräte Implementation UMTS UMTS in Deutschland Implementationen (Lizenz, Einsatz) Mobilfunknetze 4G (LTE Long Term Evolution) LTE (Release 8, MFN 3.9G) Entwicklung des neuen Standards Erweiterung, Funkfrequenzen, Endgeräte LTE Advanced (Release 10, MFN 4G) Erweiterung LTE zu 4G-NW Merkmale und Techniken von LTE Advanced Wireless Personal Area Networks (WPAN) Nahbereichskommunikation Infrarot-Netze (IrDA) Bluetooth Nahbereichs-Funktechnologie für portable Geräte Architektur von Bluetooth Weitere Entwicklungen der drahtlosen Geräteanbindung Drahtlose Identifikationstechniken (RFID, NFC) Weitere Entwicklungen UWB (Ultra Wideband) und W-USB (Wireless USB) WLAN und FritzBox-WLAN Plattformen für Wireless Applications Drahtloser Datenaustausch in mobilen Umgebungen (OBEX, SyncML, Versit) Satellitennetze Satellitenkommunikation Kanalzuordnung Anwendungen von Satellitensystemen (Auswahl) Positionierung und Navigation Verfahren zur Positionsbestimmung Grundlagen zur Positionierung Verfahren und Systeme Satellitennavigation Grundlagen der Satellitennavigation Global Positioning System (GPS) Differential GPS (DGPS) Wide Area Augmention System (WAAS) Weitere Systeme zur Satellitennavigation Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis

4 1 Kommunikationstechnologien (Dienste, Entwicklung) 1.1 Telematik und Teledienste Telematik = Telekommunikation + Informatik: Verbindung von Informatik und (insbes. digitalen) Telekommunikation, ausgewiesen durch neue Kommunikationstechnologien und Teledienste, vor allem aus den Bereichen Hochgeschwindigkeitskommunikation, Mobilkommunikation und Telediensten zu kooperativen Arbeiten, Multimedia und Mobile Computing. Abbildung 1.1: Einsatzbereiche Telematik (Auswahl) Kommunikationsinfrastruktur (Auswahl) Basis für Trägerdienste (Bearer Services) und Anwendungsdienste (Tele Services) Drahtgebunden (wired): - Telefonnetze (Kupferkabel, Orts-/Fernvermittlung, analog -> digital) - Datennetze (long haul) Highspeed (Glasfaser, DWDM, 10G->100G->ROADM, 1Tbit/s), Internet, NREN(WiN) Zugangsnetze (ISDN, xdsl, PON -> IP/Breitband) - lokale Netze (Fast Ethernet 100 Mbit/s -> Gigabit Ethernet, 100GE -> 400 Gbit/s 2017 ), - Überseekabel (~> TeleGeograpy Maps) Drahtlos (wireless): - Satellitennetz (Kommunikation, Navigation) - Verteilkommunikation (Rundfunk, Fernsehen) - Mobilfunk): Telefonie und Datenpaketfunk terrestrisch (GSM, UMTS, LTE; Mobility-Mgt.), lokal (WLAN), Nahbereich (IR, Funk) - mobile IP, Bündelfunk, Richtfunk,, RFID, NFC, M2M,... Unterwasserkanal Teledienste (Anwendungsdienste): online, verteilt, Sprache und Daten. mobil: verschiedene Mobilitätsformen (Geräte, Nutzer, Dienste), - i.allg. drahtlose Übertragung, portable Geräte (Laptop... PDA, Smartphone, Tablet), - mobile Computing: ubiquitous, nomadic, LBS (Local Based Services) - dominierende Dienste: Telefonie (incl. SMS), Internet-Zugang ( , Web), Ortung. kooperativ (verteilte Systeme) - Grid-Computing, CIM, Web-Technologien (social Networks), Cloud Computing; - Integration mobiler Dienste (mobile distributed Computing), u.a. bei Web 2.0 Nutzung, z.b. Twitter, Instant Messaging (z.b. WhatsApp, imessage vs. SMS). multimedial (audio/video): - VRML, Telekonferenz, Teleteaching, interaktives TV, e-books, autonomes Auto. - mobile Geräte (online/offline), wie Laptop, PDA, Smartphone, Tablet PC: mit Vielzahl multimedialer Funktionen, u.a. Kamera, Radio, MP3, Handy-TV, Navi, 3D. 4

5 1.2 Kommunikationstechnik (Entwicklungen) Technologien und Standards Analoge Kommunikationstechnik - Telegraf (S.Morse 1840 ), Telefon (A.Meoci, P.Reis, A.G.Bell 1876 ), Faksimile, Telex. - Vermittlungstechnik (Strowger 1891 ), Signalisierung, Modulation (Hertz, Nyquist, Shannon). - Telefonnetze (POTS, PSTN): Ortsamtstechnik, Fernvermittlung; Selbstwähltechnik. - Analoge Funknetze (öbl A, B, C; Betriebsfunk). Digitale Kommunikationstechnik Kupferkabel, 64 kbit/s; LWL > 100 Mbit/s; Funkwellen; A/D-Wandlung, Modulation - Leitungsvermitteltes Telefonnetz (ISDN), Paketvermittelte Datennetze (X.25 -> TCP/IP) - NREN (X-WiN, RÉNATER,..., GÉANT), Internet, Usenet, mobile IP Zugangsnetze: ADSL (z.b. T-DSL), SDSL, VDSL (GPON),... - Drahtlose Netze (Funk, Infrarot): flächendeckend (Kontinente, terrestrisch), lokal, nah Aufbau von Daten- und Rechnernetzen - privat / öffentlich, Medien Kabel (wired): Kupfer, Koaxial, Glasfaser kabellos (wireless): Funk (terrestrisch, Satellit, nah), Infrarot - WAN, LAN, MAN (z.b. ARPAnet, Internet, Ethernet (Novell) [FDDI, Token-Ring (IBM)]) - Hochgechwindigkeitsnetze-Netze (Fast/Gigabit-Ethernet, [B-ISDN/ATM], optische Netze (SDH/WDM, DWDM), dark fiber) - Mobilfunknetze zellulär: GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, LTE sowie Bündelfunk lokal, nah: DECT, WLAN, Wimax, Bluetooth, IR, RFID, NFC, Sensornetze... und Endgeräte: Stiefelphon Cell phones GSM Smartphone Tablet PC 2011 Standardisierungen - ISO-Referenzmodelle: OSI (X.21, X.25), B-ISDN (SDH / ATM, SDH / WDM) - Quasi-Standards: TCP / IP und Internet, IEEE , WAP-Forum, ETSI, W 3 C,... Sternstunden der Applikation Telekommunikation - Telefon (G. Bell, 1876 Patent) - ARPA (L. Kleinrock, 1969) ~> Internet (TCP/IP, V. Cerf, 1983) -> rlogin, FTP, SMTP, (HTTP) - Erstes Handheld (Stiefelphone, M. Cooper, > Motorola Dynatac 8000X, 1983) - WWW (T. Berners-Lee, 1991) ~> IP verdrängt X.25 in Europa - GSM (terrestrisches digitales Mobilfunknetz, 1991/92; 1. SMS 1992) - Satelliten-Navigation (GPS 1995) - Smartphone (PDA + Handy + Internetzugang, 2007) -> Anf. 2012: 6 Mrd. Handys weltweit eher problematisch: Social Networks (Facebook, Twitter ), Datenmissbrauch, Hacker Wichtige Entwicklungslinien (kabelgebunden und drahtlos, Auswahl) Basis der modernen (Tele-)Kommunikation: technisch, soziologisch, medial Glasfasertechnik (LWL, neue Lasertechnik Nobelpreis Kao 2009 ): Leitungsgebundene Kommunikation (Festnetze): 100 Mbit/s Gbit/s... n Tbit/s. Optische Übertragungstechnik (Modulation der Signale zur DÜ auf einer Wellenlänge): DWDM-Technik (Dense Wavelength Division Multiplexing), dark fibre. ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer), für Kanäle im 50 GHz-Raster Super-Channels für Terabit-Übertragungen (Flex-Grid ROADM), für bis zu 187,5 GHz Breite. Weitverkehrsnetze (long haul): bisher 10 Gbit/s pro Wellenlänge (am wirtschaftlichsten). Bündelung bis 160 opt. DÜ-Kanäle (X-WiN, GÈANT) -> mehrere Terabit/s pro Glasfaserpaar. In Entwicklung/Erprobung: 100 Gbit/s auf einer einzelnen Wellenlänge. X-WiN (2013): auf 100 Gbit/s aufgerüstet, DFN + TK-Ausrüster ECI Telekom. In weiterer Entwicklung: Terabit/s (native Terabit-Technologie) 5

6 * 100 Gbit/s-Netze, u.a. X-WiN, GÈANT (europ. Fo-Backbone), Internet2 (Nordamerika) * Grundlegende Änderung bei Terabit-Technik erforderlich: Einsatz von Super-Channels. Ziel: nicht nur Bündelung der Kanäle sondern auch nativ (in tiefer liegenden Schichten) Testbeds (2014): Verbindung Uni-RZ TU Dresden Uni-RZ TU Chemnitz (bei lfd. Betrieb) Danach Erprobung der Terabit-Technologie zw. TU Dresden und Leibniz RZ München-Garching. Lokale Netze: Gigabit-Ethernet (1 / 10 / 40 / 100 Gbit/s ( 100GET )). Standardisierung: IEEE 802.3ba 2010 : für ein Optical Transport Network (OTN). 40 / 100 Gbit/s, Entfernung: wenige Meter (40) km. Ethernet-Generation jenseits des 100-Gigabit/s-Standards frühestens 2017 zu erwarten. Dazu 400 Gb/s Ethernet Study Group durch IEEE gegründet (März 2013) Zugangsnetze (breitbandig): u.a. ADSL (8 Mbit/s, 768 kbit/s; T-DSL: 25 Mbit/s), SDSL (2 Mbit/s), VDSL (50 Mbit/s), PON. Einsatz der GE-Techniken, für den Anschluss der Nutzer an die Terabit-Netze. Telekom 2014ff : Breitbandkommunikation (IP, Glasfaser) -> Ersatz Telefon- / DSL-Netze Mobilfunktechnik: Ständige Zunahme der drahtlosen Kommunikation (Netze und Nutzer). Terrestrisch: zelluläre Mobilfunksysteme (Millionen-TN-Systeme, 6 Mrd. Handys 2012 ). GSM, DCS --> GPRS, EDGE --> UMTS, HSDPA --> LTE (100 Mbit/s Gbit/s 2014 ). WLAN (IEEE ): 54/108 Mbit/s, Access Points (Internet-Zugang, Skyshook Wireless). GHz-Bereich: Mobile Broadband System (W-ATM, Wimax, UWB). i.e. MFN 4G, 5G. Nahbereichskommunikation: WPAN (IR, Bluetooth), Sensornetze, RFID, NFC, W-USB. Satellitenübertragung (Kontinente-überstreichend), u.a. Satellitentelefonie, TV, Ortung. Weitere drahtlose Übertragungssysteme: Bündelfunk, Richtfunk, Pager-Systeme, Femto- Cell, schnurlose Telefonie, mobile IP, Embedded Systems (z.b. führerlose Autos)... Satellitenkommunikation: Satellitensysteme u.a. für Verteilkommunikation (Rundfunk, Fernsehen), gebündelte Übertragung von Telefonverbindungen, Positionierung (GPS, Galileo), Navigation ~> LBS Mobile Computing (ubiquitous/nomadic): Portable Computer, Smartphone, Tablet-PC ~> Mega-Pixel- und Giga-Hertz-Wahn! Drahtloser Internet-Zugang, multimedial, Breitbandfunk, Echtzeitkommunikation Embedded / wearable Computing, Sensornetze Internet: Gruppenkommunikation (Multicast, SIP), Dienstgüte, IPv6, Security, VoIP... Dominanz von Internet und IP-basierten Anwendungen (u.a. , Web). Weltweite Vernetzung (Superhighway), Integration Verteil- und Individualkommunikation. Neue Informationsdienste Internet, mobiler Zugang, PIM, Push- , Blogs, Twitter. Mit Navigation (Satellit oder Netzwerk): Local Based Services (z.b. Goggles/Google). Smartphone, NFC-Chips; Bezahlterminals für online-bezahlsysteme. Neue Internet-Technologien: Konventionelle Internet-Dienste (Basis TCP/IP-Netz): rlogin, FTP, (SMTP) und verschiedene Info-Systeme, u.a. Finger, Gopher, seit : WWW (HTTP). Heutige Sprachweise: Internet Web: dynamisch, interaktiv (Client-/Serverseitig), synchron (mit AJAX auch asynchron). Web-Technologien: PHP, Web Services, JavaScript, XML, AJAX, HTML5, CSS3 Web 2.0 (social Network, mediales Internet): neue Gemeinschaftsform der Web-Nutzung, Semantic Web. Blogs (r/w), RSS-Feeds (Pull-Dienste, Abo), Online-Portale, Nachrichtendienste. Mobiler Internetzugang: , Facebook, Twitter (Microblogging), Smartphone-Apps (u.a. Instant Messaging, wie WhatsApp, imessage, Joyn vs. SMS) Cloud Computing: Verarbeitungs- und Speicherkapazität im Netz (Serverfarmen), Zugriff über Browser (-> Webtop). 6

7 1.3 Informationsgesellschaft Neue Kommunikations- und Informationsdienste (Auswahl) Kommunikationsdienste (Bearer Services): Vermittlung von Diensten (Trading) und Netzen (Virtual Private Networks, VPN), Dienstgüte, Infrastrukturnetze, Ad-hoc-Netze, P2P-Netze und Mobilfunknetze. Anwendung von Telediensten (Teleservices): Computer Supported Cooperative Work (CSCW), Mobile Computing: ubiquitous (Mobilfunk), nomadic (z.b. mobiler Service-Ingenieur), RFID, Sensornetze. Dienste in Verteilen Systemen: Client/Server-Systeme, WfMS, EDI, Peer-to-Peer, Web Services; SOA. Einsatz von Verteilungsplattformen, u.a. OMG CORBA, RMI/Java, DCOM,.NET und J2EE (mit Enterprise Java Beans). Immer dominierender: Web-Technologien (PHP, AJAX; Web 2.0). Haushalte, Bibliotheken; Verkehrstelematik; Bildungsportal, Grid Computing, Industrie 4.0 Interaktive, multimediale, persönliche Computer Verbesserung der Nutzungsqualitäten und Bedienungsfreundlichkeit. Traditionelle Handys (Cell phones) - Mobiltelefon (inkl. SMS), ergänzt durch Kamera, Navigator, (Push), Internet-Zugang PDA (Personal Digital Assistant), z.b. Smartphones - Organizer, Mobiltelefon, Internet, , Navigator, PIM, Twitter; Multimedia-Funktionen: Smartphone: Telefon + PDA (Minicomputer), seit CeBit 2007 hohe Marktverbreitung. Portable PC s: Laptop, Notebook, Sub-Notebook, Netbooks, Tablet PC; Webtop Gesellschaftliche Auswirkungen Zusammenwachsen der Technologien und Märkte für Computertechnik, Telekommunikation, Mobilkommunikation, Unterhaltungselektronik, TV. Beispiele: - Hochauflösendes digitales Fernsehen (HDTV), digitaler Hörfunk / TV (DVB), - Multimedia (Integration von Daten, Graphik, Text, Stand- und Bewegtbild, 3D), - Multifunktions-Handys: Telefon, PDA (Smartphone), Kamera, Navi, MP3-Player, TV Dominanz des Internets (WWW) und Mobiltelefonie, mobiles Internet (WAP, i-mode). Vorteile in kommerzieller Gesellschaft durch TK (Verfügbarkeit Informationen). Proble - ältere und behinderte Menschen, Gestaltung und bedenkliche Inhalte, Informationsflut (Beherrschbarkeit, Aktualität), Sicherheit (Manipulation, Missbrauch). Speicherung/Verarbeitung ~> Verlagerung ins Internet (Google, Amazon), Cloud Computing. Gefahr durch Terrorismus, z.b Syndrom. Kommerzielle Web-Nutzung ~> Veränderung von Lebensstil, Politik, Bildung, Unterhaltung usw. (Information, Handel, e-pay). Web 2.0 (Facebook 850 Mio TN 2012, Flashmobs, Twitter) und Cloud-Computing. Aktuell dominante Entwicklungen (2013ff) Mobile Computing: - Portable Geräte (Smartphone, Tablet PC) und schnelle Netze (MFN 4G, LTE), - Web-basierte Anwendungen (Web 2.0, z.b. Instant Messaging, Smartphone-Apps). Smart TV (Multimedia) - Flachbildschirm (LED) mit integriertem Computer: Prozessor, Speicher, E/A und Kommunikationstechnik (WLAN, Modem für DSL und Mobilfunk, IP). - Nutzung (parallel) für konventionelles TV, interaktives TV, PC-Arbeit und Internet- Zugang (insbes. Web-Dienste); s. Messe IFA 2012 / Selbststeuerndes Auto (Verkehrstelematik): Einsatz ab 2019 geplant; s. CES 2013, IFA Embedded Computing (Prozessoren, verkoppelt) und Internet-Zugang. - Sensoren und Steuerungstechnik; Video- u. Funktechniken, Multimedia; Rundumblick. - Klärung der rechtlichen Grundlagen in Deutschland für den Einsatz. 7

8 2 Mobile Computing (Ubiquitous Computing) 2.1 Informationsversorgung, Mobilität und Innovationen Mobile Computing Oberbegriff für Anwendungen auf der Basis von Mobilkommunikation. Im engeren Sinn: Anwendungen auf portablen Computern, die sowohl offline betrieben als auch online verbunden sein können (i.d.r. drahtlos, wireless). Realisierung verschiedener Formen von Mobilität. Verschiedene Begriffe im Zusammenhang mit Mobile Computing, u.a. - Ubiquitous Computing, pervasive Computing, Handheld Computing, - Nomadic Computing, embedded Computing, Sensornetze, - Wireless Applications (wie OBEX, SyncML, PIM, , Twitter, Smartphone Apps,...) Charakteristik - Portable Computer + Mobilkommunikation (drahtlose Telekommunikationssysteme), - Terminal-, Nutzer-, Service- Mobilität. Komponenten des Mobile Computing - Mobile Computer (portable Endgeräte): Verarbeitungs-, Speicher- und E/A-Funktion (bei Cloud-Computing: i.w. Zugriffsfunktion zum Internet/Web) Bewegliche, leichte, tragbare, energiearme Stationen und Handheld Computer, z.b. Laptop, Notebook, Tablet PC, Handy (mobile Phone), PDA (Personal Digital Assistant, Organizer), Smartphone, Wearables, Docking Station, Headset, TV-Handy, Navi... Neuartige Bedienoberflächen: Stift, Touchscreen, LCD-Monitor, Sprachein/ausgabe. Ergonomische Bedienbarkeit. Offline/online-Nutzung. Internet-Zugang. Spielkonsole. - Mobilkommunikation (wireless communication): Übertragungsfunktion. Modem-Übertragung mit Anschluss an Festnetz ( Festnetzerweiterung ): einfache DÜ. Mobilfunk (wireless, elektromagnetische Welle: IR + Funk): Mobiltelefonie, Paketfunk. im terrestrischen Bereich (lokal, entfernt): WLAN, DECT, Wimax, MFN (2G... 4G) im Bereich des Internet (entfernt): mobile IP (IPv4, IPv6) erdferner Bereich (Kontinente): Satellitennetze (Übertragung und Ortung) Raum- und körpernahe Netze: WPAN (IR, Bluetooth), RFID, NFC, Zigbee, UWB, Sensoren Begriffe aus Computingsicht Allgegenwärtiger Computer: Ubiquitous Computing (1991, Mark Weiser): allgegenwärtige Erreichbarkeit: anywhere, anytime, anyplace (z.b. Mobiltelefonie). Bei PC-Nutzung: Ubicomp. Pervasive Computing: durchdringend, überall vorhanden. Embedded Computing ( smarte Gegenstände), Sensornetze (Sensoren + Funk), Auto. Nomadic Computing: Anwendung (nomadisierend), mobile distributed Computing. Personal Computing: Persönliche Nutzung: Laptop, Organizer,... Smartphone, Tablet PC. Portable Computer (tragbare Endgeräte): Handheld Computing: Geräte passend in Handfläche, Stiftbedienung, Tastatur (Qwertz). Geräte: Organizer, PDA (Personal Digital Assistant), Smartphone (Tel. + PDA). Wearable Computing: Tragbar am Körper bzw. integriert in Kleidung ~> Wearables. Augmented Reality: Ergänzung der physischen Realität (z.b. Datenhelm, Google Glasses). Begriffe aus Nutzersicht Drahtlose Telefonie - Sprachübertragung (Circuit Switching): GSM: 9,6 kbit/s; EDGE, UMTS: 32 kbit/s; LTE Teilnehmer: DE: 82,8 Mio. 2006; weltweit 1,8 Mrd Handys: 6 Mrd (lt. Erricson). - SMS (Short Message Service): entwickelt für GSM, 160 Z.; speicherverwaltet, Nutzung des Zentralzeichenkanals. Täglich 2,8 Mrd. SMS, 1 Billion p.a. (lt.gsm Association). DE: 3,6 Mrd ,1 Mrd ,3 Mrd p.a. (lt. Bundesnetzagentur). 1.SMS: ( merry christmas ). Erweiterungen: EMS, MMS, Internet-SMS, Joyn. 8

9 SMS 2012 rückgängig wegen kostenlosen Online-Messaging (Web, Push-Dienst), wie imessage, WhatsApp, Joyn... Drahtlose Datenübertragung - Paketfunk (Packet Switching): GPRS: (115) kbit/s; EDGE, UMTS: 384 kbit/s. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access): 1,8 Mbit/s (= 28 * ISDN)... 7,2 Mbit/s. LTE (Long Term Evolution), LTE Advanced: 100 Mbit/s Gbit/s Dienste: mobile Web-Browser (WAP -> HTML), mobiler Internetzugang ( , Web), Handy-TV, mobile Navigation, LBS. Mobiler Zugang zum Internet (Paketfunk) - über Handy: automatisches Zustellen der s * Push-Dienste, wie Blackberry (RIM: Research In Motion), Danger (Sidekick), Funambol. * -fähiges Mobiltelefon, Push- s auf Handy (ständige Verbindung zum - Server über GPRS, UMTS, HSDPA oder LTE). - Smartphone: Browser in mobilen BSS, z.b. Safari (ios/apple), Chrome (Android/Google). Zugang zu Web-Diensten: Web 2.0 (wie Twitter, Facebook, Instant Messaging), Apps Begriffe aus Netzsicht Infrastrukturnetze: Mobilrechner ist in Netzwerkstruktur (meist Fetznetz) integriert, u.a. Zugriff auf Server. Mobile Vernetzung (engl.: Mobile Networking). I.d.R. drahtlose Verlängerung des Festnetzes, z.b. GSM, UMTS für ISDN. Ad-hoc-Netze: Spontane Vernetzung, kurzfristig, ohne aufwendige Konfiguration. Keine feste Kommunikationsinfrastruktur. Typische Anwendung: Peer-to-Peer (P2P). Andere Begriffe: MANET (Mobile Ad hoc Networks), Mobile-mesh Networking, Embedded Networking: Embedded Systems: Für Steuerungs- und Kontrollaufgaben in Haushalts-, Unterhaltungs- und Konsum-Elektronik bzw. technische Geräte, z.b. Automobile. In Haushaltgeräten: Everyday Computing ( Kühlschrank ). Mobilkommunikation (drahtlos, wireless): elektromagnetische Wellen. I.d.R. Funknetze. Innovationen der Kommunikations-Infrastruktur Telefon (Sprach-) / Datenverkehr, Mobiler Internet-Anschluss (Mobile IP; WAP -> HTML) Es existieren verschiedene Mobilfunknetze, Standards und Dienste, u.a. Zellularfunk (Cellular Radio): Unterteilung des Versorgungsbereiches (Cluster, Zellen) Mobiltelefonie (circuit switching): öbl A-, B-, C- Netze (analog, 1G) D1- / D2- Netz; GSM-900-Standard (ETSI, digital, 2G) E1- / E2- Netz, PCN (UK): Basis: DCS-1800-Standard (ETSI, weltweit, digital, 2G) GSM: Global System for Mobile Communications (Europe), 900 MHz DCS: Digital Cellular System (Europe, World), 1800 MHz Spezielle Dienste: SMS (Short Message Service), Faxabruf, enfache Datendienste Daten-Paketfunk (packet switching): Modacom, Mobitex, Ardis (1G); GPRS (2.5G), HSDPA (3G) Neuere Netze: Telefonie und Datenübertragung, Handy-TV, Navigation 2.5G: GPRS, 3G: EDGE, UMTS, CDMA2000, HSDPA, 4G: LTE, LTE Advanced. GPRS: General Packet Radio Service EDGE: Enhanced Data Rates for GSM Evolution UMTS: Universal Mobile Telecommunications System (Europe), 2000 MHz HSDPA: High Speed Downlink Packet Access LTE: Long Term Evolution Bündelfunk (Trunked Radio): zellulär, wie MFN; Standard TETRA. Globaler Bereich Satellitenkommunikation (Rundfunk, TV, Telefonie, Internet (Web, VoIP), Navigation) Lokaler Bereich Schnurlose Telefone (DECT, PHS, PCN1900): Tel., LAN (begrenzt), Hotspots, FemToCell Funk-LAN (IEEE , ETSI HIPERLAN), HomeRF, W-ATM, Wimax 9

10 Nahbereich (WPAN): Infrarot (IrDA), Bluetooth, Zigbee, NanoNet, UWB (Ultra Wideband).W-USB; Identifikationstechniken: RFID, NFC; Automatisierte Kommunikation zwischen Maschinen: M2M (Machine-to-Machine); Sensornetze. Formen der Mobilität Allseitige Erreichbarkeit (anywhere,...) -> portable Endgeräte, drahtlose Kommunikation. Terminal-Mobilität (Endgeräte-Mobilität): Endgerät bleibt vernetzt, während es sich bewegt, (z.b. Mobiltelefonie). I.d.R. wird dies durch drahtlose Netze und portable Geräte realisiert. User-Mobilität (Nutzer-Mobilität): Nutzer kann ein beliebiges Endgerät verwenden, um seine Dienste zu nutzen. Die eindeutige Identifikation des Nutzers kann z.b. über eine Chipkarte gewährleistet werden. Beispiel: PCN (Personal Communication Networks, UK). Service-Mobilität (Dienste-Mobilität): Benutzer kann unabhängig vom Ort auf dieselben Dienste zugreifen. Beispiele: weltweiter Zugriff auf eigene s, DB-Replikate. Nutzungsformen im Mobile Computing Offline: Portable Endgeräte als eigenständige Computer oder Organizer, nicht permanent mit Internet oder anderen Geräten verbunden (disconnected mode). Verbindung erfolgt zu festgelegten Zeitpunkten. Synchronisation mit PC, z.b. abgekoppeltes Büro, PIM. Online: - Ubiquitous computing: Mobilrechner und (drahtlose) Kommunikation sichert allseitige und ständige Verfügbarkeit der Informationen (connected mode). Neue Anwendungen (neben Telefonie): Internetanschluss über mobile Browser (WAP- Handy WML -> Smartphone/Tablet HTML ), Embedded Computing, Wearable Computing, Sensornetze. , Navig., Twitter (Micro-Blogging), Local Based Services (mit Navi), u.a. elektronische Hörbücher, Latitude bzw. Goggles (Google), Facebook mit Geodienst Places. - Nomadic Computing (nomadisierende Teilnehmer): Integration der Mobilrechner in ein verteiltes Anwendungssystem (mobile distributed system). Beispiele: mobiler Service-Ingenieur, PIM (Personal Information Manager), Börsen- bzw. Wahldienst, Push s, Goggles. Anwendungen von Mobile Computing Ubiquitous Computing Handy, Organizer, Smartphone: Mobil-Telefonie / -Fax, , PIM, SMS, TV,... Mobilrechner (z.b. PDA, Tablet PC), Nutzung (Push), DB-Zugriffe Nomadic Computing / Mobile Distributed Computing Informationsverbund mit Zentrale, Nutzung zentraler Verarbeitungsprozesse, Daten und allgemeiner Informationsdienste (z.b. Online-Dienste), mobiler Internet-Zugang (Handy) Anwendungsbereiche (Auswahl) Mobiles Büro, PIM, Börsendienst, Geschäftsreisen, Vertrieb (Außendienst), Spiele Inbetriebnahme, Wartung (Service-Ingenieur); Spielkonsole Mobile Transportsysteme, Warenumschlag, Logistik, Umweltüberwachung (Sensornetze) Telematik im Auto und Verkehr (embedded computing), Tickets/Plan über Handy Mobile Informationsdienste (Fahrplan, Reservierung, Hotel, Flug,...) LBS (Local Based Services, mit Lokalsisierung), u.a. elektronischer Reiseführer, Goggles Medizinischer Notdienst, Telemedizin, Mobile Datenerfassung / -ausgabe (z.b. Geologie) Einsatzszenarien für portable Computer (Notebook, Handy, PDA, Smartphone...) - Eigenständiger Computer (mobiles Endgerät): offline (disconnected) oder online (Netzverbindung) - Ubiquitous Computing: Telefonie (Sprache, Kurznachrichten SMS), Wearable bzw. Embedded Computing, Sensornetze. - Handheld-Computing (Satellitennetz, Mobilfunknetz, WLAN; Zusatz: IR, Bluetooth): 10

11 Minicomputer (PDA, Smartphone), Leitungs- und Paketvermittlung, Sprache, Stift, Touchscreen. Nutzung: Telefon, SMS, Kamera,... Organizer. PIM mit PC-Synchronisation (z.b. SyncML). - s (Push-Dienste), Handy-TV, Navigation, mobiler Internet-Zugang (WAP, i-mode). - Mobilanschluss Internet (WLAN, MFN): Laptop, Netbook, Ultrabook, Tablet-PC. - Drahtloser Anschluss portabler Computer an Internet (DHCP, mobile IP), SLP, Jini, UPnP. Kommunikations-Infrastruktur (generisches Beispiel) Abbildung 2.1: Generische Kommunikationsinfrastruktur Entwicklungsrichtungen (ab CeBIT 2006 ff) Mobile Nutzungsformen (Auswahl) - Ursprünglich und nach wie vor dominierend: Mobiltelefonie (Cell Phones): ~> telefon, Kurznachrichten (SMS, MMS), einfache Datenübertragung. 4 Mrd. Handys > 6 Mrd (lt. Bitkom bzw. Ericsson), bei 7 Mrd. Menschen 10/ Zunehmend Multimedia, Organizing, PIM und Web: PDA und Smartphones (Tel. + PDA): ~> Organizer, telefon und mobiler Internet-Zugang (MFN, Browser, z.b. Safari). Beispiele: Communicator (Nokia), ipod / iphone / ipad (Apple), SGH-i900 Omnia (Samsung), Xperia X1 (Sony Ericsson), G1 und Nexus One (Google), Palm Pre (Palm Inc.), HTC One (HTC), Kin (MS), Galaxy S4 (Samsung), neue Google Gadgets (Nexus)... Handy und PDA - Mobiltelefon, Kurznachrichten (SMS, MMS), einfache Datenübertragung - (Push-Dienst), mobiler Internetzugang, Handy-TV (über UMTS-Internet oder Digitales TV: DVB-H), PIM (PDA s), Navigation (GPS), Twitter Smartphone (Kombination Handy & PDA) - , mobiler Browser (HTML), Navigation (GPS), Radio, Digitalkamera, mobiles TV, Spielkonsole. - Social Network (u.a. FB). Smartphone als Bezahlbörse (z.b. Google 2011, Nutzung NFC). - Apps (Web-basierte Dienste, über Stores, kostenfrei bzw. gebührenpflichtig). Online Messaging mit Smartphone-Apps 2011, z.b. WhatsApp, imessages (vs. SMS und RCS-e/Joyn) - Download Musik (MP3) oder Filme, Videostreaming (WLAN), Surfen mit DSL-Speed. Tablet PC s und ebooks - Anzeige von Web-Seiten ~> Ersatz für Listen und Bücher (Papier) und PC-Ersatz. - Social Network (u.a. Facebook, Twitter). Betriebssysteme analog Smartphone. Betriebssysteme für Handys/Smartphones/Tablets (Auswahl): - konventionell (i.w. Handys und PDA): Epoc/Symbian (Nokia), Palm OS (Palm Inc., 3Com), webos (Palm), - Microsoft (PDA -> Smartphone -> Tablet): Windows CE / Mobile / Phone 7 21.Okt.2010, Windows Phone 8 Ende 2012 (für Smartphone). Anm: Windows 8 Launch (für Smartphone, Tablet und PC) 11

12 - Google (für Geräte verschiedener Hersteller, u.a. Google, HTC, Huawei, Samsung...): Android 2.2 Froyo -> Android 2.3 Gingerbread -> Android Honeycomb -> Android Ice Cream Sandwich -> Android 5.0 Ende2012 Jelly Bean vs. WPhone 8 Android Lollipop 2014 für Smartphone, Tablet und TV. - Apple (für Apple-Geräte, wie iphone, ipod touch, ipad, Apple TV 2G): iphone OS -> ios 2010, u.a. ios 4.3 -> ios > ios 6 Herbst 2012 (spez. Kartenmaterial, Navi mit Sprachanweisungen, 3D-Ansichten, Siri auch für Apps, Facebook und Twitter, icloud-nutzung) -> ios 7 09/2013 -> ios für iphone und ipad (App Health, Programmiersprache Swift) Anm.: Mac OS X für PC, NB, Basis Apple-Unix ( Darwin ) -> Mac OS X 10.7 Lion 2011 (angenähert an ios) -> Mac OS X 10.8 Mountain Lion 2012 (Diktierfunktion, Integration von icloud) BS Yosemite für MAC - Weitere BS (Basis Linux): FirefoxOS, Ubuntu mobile. Samsung Smartphone Z (ohne Android, Linux-basiert). Ausbau terrestrischer Mobilfunknetze - Konventionelle MFN (2G, 2.5G): GSM, GPRS, EDGE (345,6 kbit/s). - MFN 3G: UMTS (Standard: 384 kbit/s). Paketvermittlung: Einsatz HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) für schnelle Datenübertragung ( Turbo-UMTS ): 1,8 Mbit/s 2006 (= 28 * ISDN)... 7,2 Mbit/s. HSDPA+ (28 Mbit/s 2009, O 2 ). - Breitbandkommunikation (Echtzeit, Videostreaming): Wimax; MBS, LTE. - MFN 4G: LTE (Long Term Evolution): 100 Mbit/s Gbit/s 2014 (real 2011 : 3/10 Mbit/s), Standard: LTE (Release 8, 3.9G): 300 Mbit/s, LTE Advanced (Release 10, 4G): 1 Gbit/s Flächendeckender Ausbau in DE zögerlich 2012, eher USA. Entwicklung Standard 5G. Schneller Netzzugang - DSL Download bis 16 Mbit/s (= 250 * ISDN): Arcor, AOL, Hansenet (Alice), T-Mobile... - VDSL-Technik (Glasfaser, 50 Mbit/s). - Breitband-Komm. (IP statt DSL; >= 50 Mbit/s): Telefonie (VoIP), ISDN (S0) over IP,... Elektronische Hörbücher... Reiseführer (2008) - Hörbuch: Nutzung über Handy, MP3-Player oder Mini-Computer (Smartphone, PDA). - Reiseführer: Navi, lokationsbedingte Informationen (z.b. Museum), optional Hörbeiträge. Local Based Services - ortsbedingte Informationen (GPS), z.b. Goggles (Google Earth) Wireless USB (W-USB) - Funktechnologie im Nahbereich zum drahtlosen Anschluss peripherer Geräte. 2 Spezifikationen für die funkbasierte Erweiterung des USB-Standards: CWUSB (Certified Wireless USB) durch USB Implementers Forum. WUSB von Cypress Semiconductors, nicht von USB-Organisation unterstützt. - W-USB basiert auf UWB- (OFDM-) Technologie (siehe ECMA-368, WiMedia Alliance). Übertragungsraten: 480 Mbit/s (bis 3 m, spezielle Chips für bis 9 m), 110 Mbit/s (bis 10 m). - Übertragung im Frequenzband zwischen 3,1 und 10,6 GHz, aufgeteilt in 5 Bandgruppen. Ein Band belegt Bandbreite von 528 MHz. Frequenzen weltweit noch nicht freigegeben. Frequenzfreigabe des Bereiches 6 bis 8,5 GHz durch EU ab Neuer Browser - Chrome (Google): Einfache Gestaltung, schnelle Suchmaschine. Vernetzte Welten ( Connected Worlds, CeBIT 2010) - Haushalt- und Gebäudetechnik (u.a. Smart Meter, Home One, Zigbee). - Unterhaltungselektronik (Netzwerkspeicher), Kommunikationstechnik (AVM), Netbooks, 3D-Technik, Cloud Computing. Effiziente Mobilrechner (CeBIT 2010) 12

13 - Mobilrechner als 3D-Kinos, Surfstationen, robuste Minibüros (lebendige Bilder, 3D, graphikfähige Spiele-Notebooks, schneller Grafikchip). - Zuverlässigere Speicher: SSD (Solid State Drive). - Berührungsempfindliche Displays (insbes. für Tablet PC). - Schneller Datentransport: USB-3.0-Schnittstelle - Netbooks: z.t. mit UMTS oder Bluetooth, vergrößertes Display (Standard 10 ). Cloud Computing (CeBIT 2011) - Bereitstellung von Speicher- und Verarbeitungskapazität im Internet ( Cloud : in der Wolke). Slogan auf CeBIT: work and life with the cloud. Daten nicht mehr lokal auf Festplatte, Zugriff über Web-Browser. - Dienste u.a. bei Amazon, Google, icloud (Apple). Unterstützende Betriebssysteme: Windows Azure, Windows 8 (Microsoft), ios (Apple). 3D-Darstellung (CeBIT 2011) - Fernsehen, PC und Smartphones; mit / ohne Shutterbrille, 40 Display, kleinere Displays. - Zusätzlich Hologramm-Technik (sog. Holodeck, s. Apple-Patent). Tablet PC ( Schiefertafel, CeBIT 2011) -> s. Messen MWC und CES - ursprünglich Notepads -> Touchscreen: ipad 2010 (Apple) -> Boom der Tablets (CES 2011 ). Neuheiten (CeBIT 2012): Motto: Managing Trust: Vertrauen/Sicherheit in der digitalen Welt - Cloud Computing: Vorteile / Nachteile, Einsatzgebiete, Datensicherheit. - Datenexplosion ( Big Data ) Intelligente Lösungen zur Speicherung, Analyse und Steuerung großer Datenmengen Anwendungen in der Meteorologie und Pharmazeutik. - Mobile Computing Weitere Tablets, z.b. neuer ipad3g (Apple), Galaxy Tab 2 (mit Android 4.0) und Galaxy Note (Samsung), PadFone (Asus), Xoom 2 (Motorola). Microsoft Windows 8: BS für PC, Tablets und Smartphone. Benutzer-Oberfläche Metro (Touchscreen, Kacheln). Annäherung an Windows Phone 7 bzw. 8. LTE: Netze und Endgeräte; 3D am Notebook. Entwicklung Betriebssysteme für Mobile Computing (Auswahl) PC, Notebook [, Netbook, All-in-One, UMPC]: insbes. Apple, Microsoft Mac OS, Windows (XP > Vista > Windows 7 > Windows 8) [, Linux, Ubuntu, ] Handheld-Geräte (PDA, Smartphone, Tablet): insbes. Apple, Google, Microsoft ios (iphone OS -> ios 4.3 -> 5 -> 6 -> 7 -> 8), Android (3.3 > 3.0 > 4.0 > 5.0), Windows (CE -> Mobile -> Phone 7 -> Phone.8). In Entwicklung (aber noch unklar): FirefoxOS, Ubuntu mobile. Mac OS (Macintosh Operating System) Apple (USA), proprietäre Unix-Distribution ( Darwin ) für Apple-Macintosh-Computer. Markteinführung 1984, aktuelle Versionen: Mac OS X 10.7 Lion 2011 (angenähert an ios) Mac OS X 10.8 Mountain Lion 2012 : imessage (Gratis- SMS ), Diktierfunktion, geräteübergreifende Integration von icloud (Datenzugriff von unterwegs ). BS Yosemit (für MAC) 2014, Cloud Drive (Online-FP), Programmiersprache Swift Exklusiver Nutzerkreis, Marktanteil 7 %. Entwicklungslinie: Unix -> BSD -> NeXTStep -> Darwin -> Mac OS X Geräte: nur Apple-Rechner (PC: imac, NB: MacBooks (u.a. Macintosh, MacBook Air). V: stabil, schnell (SW/HW angepasst), elegantes Design, einfache Bedienung, wenig Viren. N: wenige Programme (z.b. Spiele), teuer, Zubehör an Apple gebunden. Windows Microsoft (USA), Markteinführung 1985, aktuelle V.: Windows [->Windows , Oberfläche Metro, Kacheln, Launch für PC/NB, Smartphone und Tablet PC]. Weltweite Nutzung (sog. Standard ), Marktanteil 86 %. 13

14 Vorgänger: Windows 3.1 -> Windows 95 / 98 -> Windows > Windows XP -> Vista Geräte: fast alle HW-Hersteller (u.a. HP, Acer, Dell, Asus, Toshiba): PC, NB, Netbook. V: große Auswahl an Geräten und SW, u.a. Büro (Office), Spiele, Zubehör (Drucker, Scanner...) N: BS und HW nicht gut angepasst -> Abstürze, langsam. Komplizierte Bedienung, häufig Viren. Versionen für PDA, Smartphone, Tablet PC: Windows CE, Windows Mobile, Windows Phone , Windows Phone ios Apple (USA), Markteinführung 2007, Aktuelle Versionen: ios 4.3 -> ios (Integration Twitter, icloud, imessage) -> ios (Facebook, 3D, neue Karten, nun aber wieder Google Maps, Siri-Erweiterung, FaceTime-Videotelefonie) -> ios (umgestaltete Oberfläche, Control Center, Keychain für Passwörter u.a.) -> ios (s. Apple WWDC). Nutzerkreis: Apple-Fans und Nutzer mit einfachem Zugriff auf Internet und Daten (Mails, Fotos), ohne besondere Kenntnisse zum Gerät. Entwicklung (Benennung): Mac OS X -> iphone OS > ios 2010 Funktionen (Auswahl): Browser Safari, Apple Mail, Kalender, Telefonie, SMS, Audio/Video,... Integration Twitter und Facebook, Anbindungen zum itunes Store und App Store Geräte: ausschließlich Apple-Geräte, wie Smartphone und Tablet (ipod touch, iphone, ipad, Apple TV 2G) V: übersichtlich, elegantes Design, einfache Bedienung, viele Zusatzprogramme ( Apps ). N: wenig Geräteauswahl, keine Widgets (Inhalt eines App ohne Klick sichtbar), Apps müssen bei Apple (App-Store) gekauft werden, teuer. Android Google (USA), Markteinführung 2008, aktuelle Versionen: Android 2.3 Gingerbread -> Android 3.0 Honeycomb Herbst > Android 4.0 Ice Cream Sandwich > Android 5.0 Jelly Bean Ende 2012 (vs. Windows 8 Launch). Android Lollipop 2014, für Smartphone, Tablet und TV Nutzerkreis: für individuelle Einstellungen und Google-Fans (Gmail, Docs,...). Entwicklung: Andy Rubin für Mobiltelefone -> Kauf durch Google > Open Handset Alliance (Hauptmitglied Google) Basis Linux-Kernel, quelloffene freie Software. Funktionen (Linux-Kernel 2.6): Integration GPS, Bewegungssensoren,..., Anwendungen in Java (SDK, Dalvik Virtual Machine) Geräte: über 300 Smartphones und Tablets verschiedener Hersteller (u.a. Samsung, HTC, Motorola, LG). V: große Geräteauswahl, Apps bei diversen Firmen, Widgets (direkt auf Startbildschirm) N: komplizierte Bedienung, anfällig gegen Attacken (vor allem über Apps). 2.2 Ubiquitous Computing Technologien im Ubiquitous Computing Allgegenwärtiger Computer Ubiquitous Computing kennzeichnet den allgegenwärtigen Computer, der als unsichtbarer Hintergrundassistent agiert und ständige Erreichbarkeit sichert. Voraussetzungen: - Miniaturisierter Computer: leistungsstark, Massenmarkt, Mikroelektronik. Gesetz von Gordon Moore: die auf einem Chip integrierten elektronischen Komponenten verdoppeln sich aller 18 Monate (Prozessoren in Leistung und abnehmender Größe). - Kommunikationstechnik: drahtgebunden: Internet (TCP/IP), Zugangsnetze (xdsl), optische Netze (SDH/WDM). drahtlos: Mobilfunknetze (Tel, SMS), Internet via MFN/WLAN, Satellit, IR, Bluetooth, NFC. Neue Technologien wie LTE, FemToCell, UWB, Wimax, Zigbee, RFID. 14

15 Das drahtlose Jahrhundert bereits vor 100 Jahren vorhergesagt. A. Brehmer Die Welt in 100 Jahren (1910): Die Bürger jener Zeit werden überall mit ihrem drahtlosen Empfänger herumgehen, der irgendwo, im Hut oder anderswo angebracht sein wird. Technologieentwicklungen (Auswahl) - Ausbau und Effektivierung der Kommunikationsinfrastruktur (kabelgebunden / kabellos) * Internet (-> IPv6) und Einbezug der Internet-Dienste ~> all IP. * Neue Web-Technologien (XML, PHP, AJAX, HTML5), Web Services Web 2.0, neue Form der Nutzung (Blogging, Facebook, Twitter,...) ~> all Web Semantisches Web (DB, Ortung, Wissensverarbeitung). Cloud-Computing (Speicherung / Verarbeitung im Internet, Zugriff über Web). * Mobilfunknetze (Satellit, terrestrisch, lokal, Raumnetze). Mobiler Internet-Zugang (Smartphone, Tablet), Echtzeitkommunikation, Green IT. Instant Messaging (z.b. WhatsApp), Selfie. Neue MFN (4G): LTE Advance; 5G i.e. - Boom der mobilen Endgeräte: Smartphone 2007, Tablet 2011, Phablet Dualcore/Quadcore-Prozessoren, HSDPA... ~> WAP WML / i-mode chtml -> Web HTML - Intelligente Netze: drahtloser Zugriff, Datenbankorientierte Dienste aus Festnetz, Integration von Lokalisierungsdiensten (z.b. LBS: Local Based Services). - Einsatz eingebetteter Prozessoren und miniaturisierter Sensoren in Verbindung mit Datenkommunikation in Alltagsgegenständen. - RFID (Radio Frequency Identification): Chip mit Antenne, Funkverbindung, ohne Akku (Nutzung magnetische Induktion). Einsatz in Produkten zur Identifikation / Lokalisierung. Analog: NFC (Near Field Communications), M2M (Machine-to-Machine). - Neue Technologie-Trends (Multimedia, mobile Computing): TV: smart TV, 4K (vierfaches Full HD), Verkehrstelematik: selbstfahrendes (führerloses) Auto. - Neue Materialien (Entwicklungen aus der Materialwissenschaft), u.a. * lichtemittierende Polymere ( leuchtendes Plastik ), die Displays aus hochflexiblen, dünnen und biegsamen Plastikfolien ermöglichen; * elektronische Tinte und smart paper (z.b. in kleinsten Kapseln schwimmen elektrisch unterschiedlich geladene schwarze und weiße Pigmente -> aufgetragen auf Folie -> Anlegen einer Spannung -> bringen Pigmente nach oben und erzeugen Punkt (Farbe). - 3D-Darstellungen: 3D-Kino, TV, Smartphones, mobile Spielkonsole mit 3D-Display. Klassischerweise mit Spezialbrille (Shutterbrille). * 3D-Kinofilme (z.b. Coraline, Avatar, Oben): Bilder für linke/rechte Auge unterschiedlich polarisiert auf Leinewand, einfache Polarisationsbrillen lassen dem Auge nur die entsprechenden Teilbilder sichtbar werden; erst im Gehirn entsteht ein räumliches Bild. * Flachbild-TV (> 40 ) mit anderem Prinzip: Brillen decken synchron zum TV-Film abwechselnd das linke/ rechte Auge ab. Dazu Spezialbrillen erforderlich (schwer, teuer). Neu: 3D ohne Brille (incl. Holodeck-Technologie) * Einfacher für kleine Formate, z.b. Mobiltelefone (Entwicklungen bei Intel, Nokia). * Spielkonsolen (Playstations) mit 3D-Technik (Nintendo 3DS, Konami, Enix, Sony PS3 / PS4, Microsoft Xbox 360, Smartphones mit Hologrammen ~> s. CES 2011). * Hologramm-Handys (Patent Apple 2010): Damit nicht nur räumlich wirkende Fotos und 3D-Filme (wie Avatar) ohne 3D-Brille darstellbar, das Display beobachtet dabei auch, wie sich der Benutzer im Raum bewegt. Zusätzlich kann das 3D-Display auch Hologramme darstellen (Räumliche wirkende Repräsentationen von Objekten, um die man als Zuschauer quasi herumgehen kann. Indem das System die Bewegungen des Betrachters verfolgt, würde es ihm aus jedem Blickwinkel das passende 3D-Bild projizieren, so dass ein Hologramm-Effekt entsteht). 15

16 Lokalisierung mobiler Objekte Verschiedene Systeme und Technologien 1. Satellitenbasierte Positionierung (Navigation): Positioning-Prinzip: Satelliten teilen per Funk dem Beobachter (Navigationsgerät) ihre genaue Position und die Uhrzeit (Atomuhr) mit. Empfänger bestimmt daraus die Position (ggf. mit Darstellung auf Karte). Bekannte Systeme bzw. Entwicklungsvorhaben: - GPS (USA, Global Positioning System), GLONASS (Russland). - Galileo (EU, ca. 2013), COMPASS (China, 2010/11), IRNSS (Indien) ~> GNSS (global). Einsatz von Korrektursystemen, wie DGPS, WAAS, EGNOS, GAGAN,... Systeme bisher nur im Freien einsetzbar. Genauigkeit: einige Meter (Problem der Uhren). Entwicklungsziele: Verbesserung der Genauigkeit, Verkleinerung der Module, Reduzierung des Energiebedarfs, Anwendung in geschlossenen Räumen. Ab 2007 GPS-Chips mit schwächeren Signalen und weniger Energieverbrauch. Einsatz in Mobiltelefonen zur Ortsbestimmung auch dann, wenn keine direkte Sichtverbindung zum Satelliten besteht. 2. Netzwerk-basierte Positionierung: Nutzung von Adressierungsinformationen in existierenden Netzwerken, wie MFN (GSM, UMTS, LTE), WLAN. I.allg. Tracking-Prinzip: Lokalisierungsinformation liegt beim Provider, muss ggf. an Endgerät verteilt werden (Sicherheitsproblem). Verschiedene Ansätze: 1. Bestimmung der Funkzelle von Sendern, deren Positionen bekannt sind ~> ungenau, auch wenn man die mit der Entfernung abnehmende Signalstärke berücksichtigt. 2. Laufzeitbestimmung der Signale und daraus abgeleitete Entfernungsmessung sowie Ortsbestimmung mittels Triangulation ~> aufwendiger, aber präziser. Positionierung mit Mobilfunksystemen: MFN können Handys orten, z.b. kennt GSM die Zelle, in der sich Handy aufhält. Genauigkeit durch Zellgröße bestimmt (in Ballungsgebieten wenige 100 m, in ländlichen Gebieten bis 35 km). Allerdings kennt Basisstation die Entfernung der Handys zur Sendeantenne der Funkzelle mit einer Granularität von ca. 550 m (bedingt durch technische Gründe, u.a. Synchronisation). Entfernungsbestimmung aus Laufzeitmessung des Funksignals. Falls Handy im Überlappungsbereich mehrerer Funkzellen, kann aus Messung der Laufzeitunterschiede die Position auf etwa 300 m genau ermittelt werden. Provider nutzen dazu Datenbankaufzeichnungen und Analogievergleiche. Bei UMTS ist eine 10-fach höhere Genauigkeit möglich. Positionierung mit WLAN: Nutzung der WLAN-Zugangspunkte in städtischen Gebieten. Viele Städte bereits mit hoher Dichte von WLAN-Basisstationen, deren Zellenstruktur bekannt ist (typische Zellengrößen von einigen zig Metern); z.b. Seattle (Herbst 2004): 1200 Stationen / km2. Kennt man die Ortskoordinaten der festen Stationen, kann eine Lokalisierungsgenauigkeit von m erreicht werden. Öffentlich zugängige Datenbanken enthalten bereits über eine Million Netze mit deren eindeutiger Kennung und Ortskoordinaten bei fast 100%-iger Abdeckung in städischen Gebieten, sog. Hot-spots, auch innerhalb von Gebäuden. US-Fa. Skyshook Wireless: DB mit >100 Mio. Koordinationspunkten ~> metergenaue Ortung (u.a. Google Street View). Nutzung durch Fa. Sense Networks (NY): Aufzeichnung des Bewegungsprofils von Handys (zusammen mit Google) Visionen des Ubiquitous Computing Marc Weiser M. Weiser: The Computer for the 21st Century. Scientic American 265 (3), pp , 1991 Entwicklungsinnovationen (Ausgangspunkte): - miniaturisierte Sensoren, präzise Lokalisation, 16

17 - kleine, energiearme, preiswerte Prozessoren mit integrierter drahtloser Kommunikation, - Fernidentifikation durch passive und unsichtbare Elektronik, - neue Materialien (flexible Displays, elektronische Tinte und Papier,... ). Integration der kleinen, preiswertigen und energiearmen Sensoren mit Kommunikationsfähigkeit in Alltagsgegenstände ~> totale Informatisierung. Marc Weiser (1991, Xerox-Forschungszentrum PARC, Silicon Valley) propagierte den allgegenwärtigen Computer, der unsichtbar den Menschen unterstützt ( in the 21st century the technology revolution will move into the everyday, the small and the invisible ). Daraus neue Anwendungsformen für Ubiquitous Computing kreiiert: - Embedded Computing: Kleine und preiswerte Prozessoren, Sensoren, Speicher und Kommunikationsmodule in Alltagsgegenstände integriert. - Wearable Computing: Integration der Bauelement in Kleidung bzw. Tragen am Körper. - Sensornetze: Ausstattung der Umwelt, um diese zu beobachten bzw. zu steuern. Erweiterung durch Identifikationstechniken: Hochfrequente Funkkommunikation mit Austausch von Informationen über kurze Entfernungen (wenige cm... 1m), u.a. RFID (Radio Frequency Identification), NFC (Near Field Communication), M2M (Machine-to-Machine) Embedded Computing Ziel: Alltagsdinge smart machen, um Informationen zu verarbeiten. Dazu erforderlich: - Mikroprozessoren klein, preiswert und verknüpft mit drahtloser Kommunikation. - Sensoren, die Informationen aus der Umgebung aufnehmen. Realisierung durch einen einzigen, kleinen Chip, der Umgebungsparameter wahrnimmt, diese verarbeitet und ggf. weiterleitet. Somit können Alltagsgegenstände kommunizieren und kooperieren ~> smarte Gegenstände. Diese können sich Vorkommnisse merken, und bei Einsatz von Lokationssendern auch kontextbezogen verhalten. Beispiele: - Rasensprinkler in Verbindung mit der Wettervorhersage im Internet. - Kreditkarte und Armbanduhr - beide mit winzigen Beschleunigungssensoren (gemeinsam geschüttelt, verbreiten per Funk ihr jeweiliges Schüttelmuster in der Umgebung. Kreditkarte dann nur noch wirksam, wenn Armbanduhr mit gemeinsamen Schüttelkontext in unmittelbarer Nähe). Wearable Computing Elektronische Elemente in miniaturisierter Form in Kleidung, Armbanduhren, Schmuckstücke integriert. Beispiel: Retinaldisplays. Es sind Brillen, die im Gestell einen kleinen Laser eingebaut haben. Der Laser erzeugt ein Bild, das auf ein kleines Prisma im Brillenglas gelenkt und auf die Retina (Netzhaut) projiziert wird. Das Bild entsteht also nicht auf dem Schirm, sondern wird Punkt für Punkt ins Auge geschrieben. Somit könnten Computer auf Bildschirme verzichten. Man kann auch Informationen einblenden, die situationsabhängig nützlich sind. Beispiele: Nutzung Kamera (Fotohandy) und Softwaresystem zur visuellen Objekterkennung (M. Satyanarayanan), Überwachung des Gesundheitszustandes. Beispiele: Med-Shirt (München), MEMOS (Uni Leipzig), Smartphone-Appp Health (ios/apple).. Sensornetze Sensoren sind Fühler, die Eigenschaften der Umgebung (Temperatur, Feuchtigkeit, Stärke eines Magnetfeldes, Strahlungsintensität usw.) wahrnehmen und in elektrischer Form weiterleiten. Verknüpfung der Sensoren mit Funktechnologie, so dass sich diese drahtlos vernetzen können ~> Sensornetze. Anwendungsszenarien von Sensornetzen gehen davon aus, dass eine große Zahl hochgradig miniaturisierter Sensoren in die Umwelt eingebracht werden (z.b. aus Flieger abgeworfen). Die Sensoren sollen die unmittelbare Umgebung beobachten, können sich bei Bedarf mit benachbarten Sensoren vernetzen, ihre Arbeit untereinander abstimmen 17

18 und Ergebnisse austauschen. Beispiel: Messung Temperatur und Ausbreitungsrichtung ~> Schlussfolgerung auf Waldbrand. Gegenwärtiges Problem: Technik der massenweisen Herstellung kleiner und energiearmer Sensoren, die sich automatisch vernetzen. Durch die geringe Größe und dass keine physische Infrastruktur (Verkabelung, Stromanschluss usw.) benötigt wird, kann die Instrumentierung in flexibler Weise erfolgen. Anwendungsbeispiele: Monitoring von Umwelt, militärischer Bereich, Infrastruktursysteme, Verkehrssysteme, Produktionsprozesse (z.b. smart floor) usw. Technologietrend geht in Richtung einer umfassenden Informatisierung der Welt: Sensoren beobachten die Umwelt und Alltagsgegenstände werden smart ~> sie wissen, wo sie sich gerade befinden, welche anderen Dinge / Personen in der Nähe sind, was in der Vergangenheit mit ihnen geschah, und teilen ihre Erkenntnisse anderen Gegenständen mit. Probleme: Datenschutz, Verletzung der Privatsphäre, Anhäufung einer Unmengen von Daten Anwendungen und aktuelle Entwicklungen Anwendungsmöglichkeiten smarter Alltagsdinge Smarte und kommunikationsfähige Dinge, u.a. - Autos können vor Stau auf Gegenfahrbahn warnen, - Mobiltelefon kann sich erinnern, wann und wo zuletzt in Nähe des Schlüsselbundes, - Mülltonne registriert die Recyclingfähigkeit des Inhaltes, - Arzneischrank verwaltet die Haltbarkeit der Medikamente, - Wohnungsheizung und Auto korrespondieren über Zeitpunkt der Rückkehr. Lokalisierungstechnologien mit hohem Anwendungspotential, u.a. - Wiederauffinden verlustiger Gegenstände, - Fahrtenschreiber : Aufzeichnen wo sich Gegenstand befindet, gekoppelt mit Zeitstempel, z.b. bei Mietautos. Aufzeichnen der Bewegungsspur -> Auffinden von Taschen usw. - Verlorenen Kleidungsstücke der Kinder, Alarmmeldung, Angabe der Position, - Überwachung von auf Bewährung freigelassener Sträflinge sowie ungetreuer Ehepartner. Ökonomischer Mehrwert kooperierender smarter Alltagsdinge, u.a. - Lokalisierung von Produkten in der Produktions- und Lieferkette, - Kundenakzeptanz von Produkten ~> bessere individuelle Werbung, - Automatische Preisregulierung von Waren in Kaufhalle (nach Angebot, Alter usw.), - Dynamische Autoversicherungen (abhängig, ob schnelle oder langsame Fahrt, ob gefährliche Überholmanöver, wo Wagen abgestellt, welche Straßen gefahren). Einsatz in industriellen Produkten, u.a. - Haushaltgeräte, Werkzeuge, Spielzeug, Kleidungsstücke usw. erhalten fernabfragbare e- lektronische Identität bzw. Sensoren zur Wahrnehmung des Kontextes (wo genutzt), - hybride Produkte, die sich aus physikalischen Leistungen (z.b. Medikament) und Informationsleistungen (z.b. Verlauf einer Grippeepidemie). Aktuelle Entwicklungen Elektronisches Papier Dünnes, biegsames Plastik-Display, eine Mischung aus Computerbildschirm und Papier. - Elektrisch leitender Kunststoff mit kleinen Kugeln, in denen Farbstoffpartikel auf elektrische Spannung reagieren. Dadurch lässt sich die Darstellung ändern. - E-Papier seit den 70er Jahren, aber ohne Marktreife. Britische Firma Plastic Logic Limited, Airportpark Dresden ( Mögliche Anwendungen: Elektronische Zeitungen, Wörterbücher, professionelle Anwenderbücher, s, entfernte Nutzung über integrierte kabellose Anschlüsse; CES, Las Vegas (Jan. 2010), danach Produktion eingestellt (2010). Konkurrenzprodukte: Lesegerät Kindle (Amazon), Skiff (NY, mit LG Display/Korea), ipad (Apple, Tablet PC), WeTab (Neofonie). 18

19 RFID und smart floor Funk-Identifikationsstandard RFID (Radio Frequency Identification): Nahbereich, Funk. Hauchdünner Transponder-Chip (Etikett) und Sende/Empfangseinheit. Datenübertragung über elektromagnetische Wellen ohne Berührung und Sichtkontakt. Energieversorgung: elektromagnetische Induktion. Einsatz: Logistik, Verwaltung, Transport u.a. An Waren oder beweglichen Güter angebrachte Transponder geben Auskunft über Standort oder Zustand von Gegenständen. Ausgewählte Einsätze - Warenkorb: Waren in Kaufhalle automatisch gescannt und abgebucht. - Service Roboter auf Basis smart floor (Fa. Vorwerk): Polyestergewebe, in das ein Netz aus RFID-Chips integriert ist und unter Bodenbelägen installiert werden kann. Anhand der in den Chips gespeicherten Informationen kann Roboter auf der Bodenfläche navigieren. - Identifikation von Medikamenten, Lebensmittel (Datum, Herkunft), Waschmaschine (automatische Programmauswahl, Kleidungschips), Erkennung von Computerviren. Google-Dienste für Mobile Computing Erkennungs-SW Goggles (ab 7. Dez. 2009): erkennt automatisch, was die Kamera des Mobiltelefons im Visier hat: Buch, Brücke, Bilder (Nutzung Google Bilder-DB zur Objekte- Erkennung). Gesichtserkennung noch schwierig, Klärung Privatsphäre. Nutzung Google Sky Map: z.b. Smartphone Nexus One blendet mit Sky Map eine Sternenkarte ein. Handy weiss dank Lagesensoren und GPS-Ortung, auf welchen Ausschnitt des Firmaments es gerade gerichtet ist. Nutzung Mobiltechnik: Google erfährt so, wo Nutzer gerade sind (Werbung aufs Handy). - Dazu eigenes Mobiltelefon Nexus One (ab 2010, BS Android) entwickelt; NF Nexus Handy-Ortung Google Latitude und Kartenmaterial Google Maps. - Erstellung eigenes Kartenmaterial für Maps: Google Street View. Früher: Gang ins Internet -> virtueller Raum, Cyberspace. Nun: Outernet. Mobiltelefon mit Ortungsfunktion, überall ortsbezogene Informationen zugängig.~> Local Based Services. Internet-Handy muss genaue Position kennen. GPS-Sensor allein zu ungenau. Einbezug WLAN-basierte Navigation, Ortsraster über die Erde gelegt (z.b. Fa. Skyshook Wireless: DB mit über 100 Mio. Koordinationspunkte -> metergenaue Ortung). z.b. Nutzung durch Fa. Sense Networks (NY): Aufzeichnung des Bewegungsprofils der Handys in Echtzeit, sogar getrennt nach Sozialgruppen ( Stämme ) ~> Werbung gezielt zuspielbar. Obgleich Bewegungsdaten von Telefongesellschaften anonym zu führen sind (nur Zah-lencodes), kann Nutzer genau verfolgt werden. Nutzung für neuen Dienst möglich: ortsabhängige Infos/Dienste gegen Gebühren oder Angebot eines gehobenen Dienstes. Online-Bezahlsysteme ( digitales Portemonnaie ) Online-Bezahldienst Paypal (zu Ebay gehörig) Ziel: Handy statt Kreditkarte. Marktanalyse Gartner: bis 2014 zahlen ca. 340 Mio. Menschen per Handy. Mastercard (USA 2011) in Geschäften sog. PayPass-Geräte aufgestellt: Kreditkarte nicht mehr durch Schlitz gezogen, sonder in Nähe eines Lesers geschwenkt. Übertragung per Funk. Analoge Entwicklung bei Visa. 2011: Google Bezahlservice Google Wallet: Nutzung Smartphone (BS Android) als digitales Portemonnaie (zusammen mit Mastercard, Visa, American Express und Citibank): Nutzung deren Bezahlstationen an den Kassen), in Konkurrenz zu Paypal. Einführung Sommer 2011 in USA, später Rest der Welt (Deutschland skeptisch; SPK: girogo 2012 ). Analoge Entwicklung bei Apple (iphone 5 / ios 5), Microsoft (BS Windows Phone 7 / 8), System Isis (AT&T, Verizon, T-Mobile USA) und Paypal selbst. Nutzung Nahbereichskommunikation NFC (Near Field Communication): - Funkübertragung über kurze Entfernung (wenige cm), ohne explizite Stromversorgung. Übermittlung von Identifikationsinformationen. 19

20 - Smartphone mit NFC-Chip ausgestattet, Kreditkartendaten in einem speziellen App (Zusatzprogramm) hinterlegt -> Bezahlung und Bonuspunkte des jeweiligen Händlers. Datenbrille Google Glass Google Glass: Datenbrille (Brille mit Minicomputer und Kamera): eingeblendete Informationen sowie Audio/Video/Foto-Aufnahmen. Vorab Test, u.a. Journalist Joshua Topolsky, US- Magazin The Verge 2013: Ermittlung der sozialen Grenzen -> daraus Konsumentenversion. Glass-Sichtfeld schiebt sich zwischen Nutzer und Wirklichkeit (Spiegel Online, ): - Informationen erscheinen und verschwinden wieder, - Interface bleibt im Hintergrund und blendet sich nur auf Befehl als Hinweis in die obere Hälfte des Gesichtsfeldes kurz ein: Mache ein Foto, Nimm Video auf, Zeig Weg zur U- Bahn-Station. Technische Probleme: - schnelle mobile Internet-Verbindung (auch in Räumen, in Metro usw.), - Erreichbarkeit der angeschlossenen Cloud-Dienste. Nutzungsprobleme: - Verletzung Privatsphäre der Umstehenden (unbemerkt Fotos und Videos, Identifizierung von Personen udgl.) und deren Schutz, sowie Designprobleme. Abbildung 2.2: Datenbrille Google Glass Datenbrille mit Plastik-Prisma vor rechtem Auge, Suchanfragen ins Sichtfeld projizierbar. Hochauflösendes Display vor rechten Auge, entspricht einem HD-Bildschirm von 25 Zoll. 16 Gigabyte Festkörperspeicher. Internetanschluss über WLAN, Smartphone-Anschluss über Bluetooth. Töne mittels Bone Conduction Transducer direkt über Schädelknochen zum Ohr weitergeleitet. Kamera 5 Megapixel; Akku: Standby ca. 1 Tag, aufladbar über Micro-USB-Anschluss. Bedienung: Tippen auf rechten Brillenbügel Augenzwinkern (App Winky: Fotos per Augenzwinkern, Entwickler Mike DiGiovanni) Sprachbefehle. Verkauf: ca. 2014, Preis < 1500, vorerst keine Werbeeinblendungen (?). Weitere Datenbrille: Sony Cyberbrille (Patentantrag): 2 Displays, die Bilder ins Sichtfeld beider Augen spiegeln. Verkehrstelematik (selbststeuernde Autos) Schwerpunkt auf CES 2013 (Consumer Electronics Show), Las Vegas, : - Selbststeuernde Autos, Fahrassistenzsysteme, - Einsatz Audio/Videotechnik, Sensortechnik, embedded Computing, Mobilkommunikation - Erprobung von Prototypen, Marktreife für 2018 erwartet. Somit eine weitere Vision von Mobilität: das selbststeuernde Auto (ADAC-Beilage move 2/2013: In Roboterautos fahren, Martin Randelhoff). In Amerika dürfen Androiden von Audi und VW ohne Menschen am Steuer durch die Straßen düsen, in Deutschland... aus rechtlichen Gründen noch nicht erlaubt. Notwendige Daten für das autonome (führerlose) Fahren stammen aus einer Vielzahl von 20